Elaboration des composants électroniques

Elaboration des composants
électroniques
Du vide à l’iPhone ® grâce à la physique du solide
© Philippe Laporte - 2016
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Qu’y-a-t-il de commun entre une diode, un
panneau solaire et un microprocesseur?
• Du courant électrique.
• Un matériau semi-conducteur.
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2 /n
Plan de la présentation
Historique et fondamentaux
La technologie
Microélectronique
Photovoltaïque
LEDs
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3 /n
Un peu d’histoire :
De l’électron à l’électronique en passant par l’électricité
• Les charges électriques : postulat de Benjamin Franklin ~1747
• Le XIXe siècle
• 1838 — idée de l’atome, noyau entouré d’un nuage de charges électriques
• 1894 – invention du terme « électron » pour désigner les charges
élémentaires par George Stoney
• Etude de la conductivité électrique des gaz dans des ampoules de verre
• 1880 – L’effet Edison
• L’électromagnétisme
• La photoélectricité
• Le XXe siècle
• Théorie de l’atome
• Mécanique quantique
• 1904 – brevet de la diode à vide (utilisation de l’effet Edison) par John
Fleming. Permet la détection des ondes radio.
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Un peu d’histoire :
De l’électron à l’électronique en passant par l’électricité
• Les charges électriques : postulat de Benjamin Franklin ~1747
• Le XIXe siècle
• 1838 — idée de l’atome, noyau entouré d’un nuage de charges électriques
• 1894 – invention du terme « électron » pour désigner les charges
élémentaires par George Stoney
• Etude de la conductivité électrique des gaz dans des ampoules de verre
• 1880 – L’effet Edison
• L’électromagnétisme
• La photoélectricité
• Le XXe siècle
• Théorie de l’atome
• Mécanique quantique
• 1904 – brevet de la diode à vide (utilisation de l’effet Edison) par John
Fleming. Permet la détection des ondes radio.
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5/x
Vous avez dit semi-conducteur!?
• Sont classés comme semi-conducteurs les matériaux dont la conductivité électrique dépend fortement
de la composition, de la structure du cristal ainsi que des conditions ambiantes. En général, la
conductivité des semi-conducteurs augmente lorsqu’on leur communique de l’énergie par
échauffement, éclairement, irradiation par particules élémentaires; elle varie lorsqu’on soumet le cristal
à l’action d’une pression, de champ électriques et magnétiques.
• On distingue dans les semi-conducteurs deux mécanismes de conduction déterminés par l’existence de
deux types de porteurs de charges: les électrons et les trous. La conduction par trous est en fait due
au déplacement d’électrons liés à travers des liaisons.
• Dans un semi-conducteur exempt d’impuretés le nombre d’électrons est égal au nombre de trous;
on dit alors que le semi-conducteur est intrinsèque. Une impureté est du type donneur si elle
fournit des électrons libres; une impureté du type accepteur fournit des trous libres. Les
porteurs de charge sont dits majoritaires si leur concentration est supérieure à celle de l’autre type de
porteurs qui sont dits minoritaires.
Source – P.Kiréev
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Les matériaux semi-conducteurs
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7 /n
Un peu d’histoire:
L’évolution des composants électroniques
• Le tube à vide:
• 1906-1960 : l’hégémonie du tube à vide
• Inconvénients : encombrement, consommation électrique, fiabilité
• 1918 - Czochralski développe la croissance de cristaux à partir
de liquide
• 1928 - Invention du transistor à effet de champ par
JE.Lilienfeld
• Le transistor – composant « discret »:
• 1947 – invention du transistor bipolaire par William Shockley, John
Bardeen et Walter Brattain des BELL LABS
• 1954 - réalisation du premier transistor en silicium par Texas Instrument
• 1955 - première calculatrice transistorisée comprenant 2000 transistors,
créée par IBM (International Business Machines)
• inconvénients: multiplicité des connexions pour relier ensemble de grandes
quantité de transistors. Encombrement des systèmes électroniques.
• Le circuit intégré …
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Un peu d’histoire:
L’évolution des circuits intégrés
• 1957 - Andrus applique la lithographie pour la fabrication des composants semi-conducteurs.
- le masquage par oxyde à été développé par Frosch et Derrick
- l’épitaxie, inventée par Sheftal et al.
• 1958 : invention du premier circuit intégré par Jack St Clair Kilby de TEXAS INSTRUMENT, incluant cinq
composants.
• 1959 : invention du premier transistor planaire par Jean Hoemi de FAIRCHILD SEMICONDUCTOR sur la
base des jonctions PN.
• 1959 : réalisation du premier circuit intégré par Robert Noyce de FAIRCHILD sur plaque de silicium.
• 1963 : les composants CMOS (NMOS et PMOS) par Sah.
Invention du SOS (Silicon On Sapphire) par North American Aviation (Boeing) par Harold Manasevit et
William Simpson
• 1998 industrialisation par IBM des circuits sur SOI.
• 1993 : interconnections par cuivre proposé par R.Paraszczak et al.
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Un peu d’histoire:
L’évolution des circuits intégrés
• 1957 - Andrus applique la lithographie pour la fabrication des composants semi-conducteurs.
- le masquage par oxyde à été développé par Frosch et Derrick
- l’épitaxie, inventée par Sheftal et al.
• 1958 : invention du premier circuit intégré par Jack St Clair Kilby de TEXAS INSTRUMENT, incluant cinq
composants.
• 1959 : invention du premier transistor planaire par Jean Hoemi de FAIRCHILD SEMICONDUCTOR sur la
base des jonctions PN.
• 1959 : réalisation du premier circuit intégré par Robert Noyce de FAIRCHILD sur plaque de silicium.
• 1963 : les composants CMOS (NMOS et PMOS) par Sah.
Invention du SOS (Silicon On Sapphire) par North American Aviation (Boeing) par Harold Manasevit et
William Simpson
• 1998 industrialisation par IBM des circuits sur SOI.
• 1993 : interconnections par cuivre proposé par R.Paraszczak et al.
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Un peu d’histoire:
La course à l’intégration
• La course à l’intégration:
• 1964 : MOORE prévoit que les circuits intégrés doubleraient en complexité tous les deux ans (loi de Moore)
1968
1 000 transistors
1972
10 000 transistors
1978
100 000 transistors
1984 1 000 000 transistors
1990 10 000 000 transistors
1996 100 000 000 transistors
• 1961 : Le président KENNEDY lance le programme APOLLO nécessitant un ordinateur de
10 millions de composants, ce qui impose la puce.
Le marché des puces décolle réellement avec la baisse de 50% par an de leur prix en raison
de l’accroissement de production
1971 10 centimes par bit
1973 3 centimes par bit
1980 12 centimes les 1000 bits.
• 1967 : Robert Dennard invente la mémoire DRAM ( Dynamic Random Acces Memory)
• 1971 : Année de la conception du premier microprocesseur par M. Hoof de la société Intel.
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Le photovoltaïque
• L'effet photovoltaïque permet de transformer l'énergie solaire en
électricité. Le mot "photovoltaïque" vient du grec "photos" (lumière) et de
"volta" du nom du physicien italien qui découvrit la pile électrique.
• 1839: C'est le savant français Alexandre-Edmond Becquerel (1820-1891) qui le premier mit
en évidence les effets électriques que produisent les rayons solaires dans une pile
constituée par des électrodes de platine et de cuivre oxydé plongeant dans une solution
électrolytique acide. Il le décrivit dans un « Mémoire sur les effets chimiques et électriques
produits sous l'influence de la lumière solaires »
• 1905: Albert Einstein publie "Sur un point de vue heuristique concernant la
production et la transformation de la lumière". Cet article lui vaudra le prix
Nobel de physique en 1922.
• 1954: Les chercheurs américains Gerald Pearson, Darryl Chapin et Calvin
Fuller mettent au point une cellule photovoltaïque en silicium pour les
laboratoires Bell.
• 1958: Première utilisation spatiale de photopiles solaires dans le satellite américain
Vanguard
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13 /n
Les Diodes électroluminescentes
• La Diode ElectroLuminescente (DEL en français)
Light Emitting Diode – LED en anglais
• 1927 – O.V. Losev dépose le 1er brevet
• 1965 – Création de la première LED rouge par Nick Holonyak et
S.Bevacqua
• ~1990 - Shuji Nakamura et Takashi Mukai de Nichia, crée les diodes
bleues à partir des semi-conducteurs InGaN
Cette avancée permit de nouvelles applications majeures telles
qu'éclairage, écrans de téléviseurs et d’ordinateurs. Le 7 octobre
2014, Shuji Nakamura, Isamu Akasaki et Hiroshi Amano ont reçu le
prix Nobel de physique pour leurs travaux sur les LED.
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14 /n
- LA TECHNOLOGIE • L’environnement de travail
• Qu'est-ce qu'une technologie ?
• Exemple : Technologie MOS
• Quels sont les objectifs de la technologie ?
• Les étapes de fabrication d'un circuit intégré
• Les opérations élémentaires : la photolithographie
• Les opérations élémentaires : la gravure
• Les opérations élémentaires : les dépôts
• Les opérations élémentaires : Traitements thermiques
• Les opérations élémentaires : le dopage
• Les contraintes de fabrication d'un circuit intégré
• Les trois grandes étapes de la fabrication d'un transistor
• L'ISOLATION
• LE TRANSISTOR
• Quelles sont les caractéristiques importantes pour le fonctionnement d'un transistor ?
• Les interconnexions
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15 /n
L’environnement de travail
La Salle Blanche est un environnement contrôlé en
poussières, température et hygrométrie
• Niveau 3 :
• Centrales de traitement d’air et humidificateurs
• Tours Aéro-réfrigérantes
• Extractions et cheminées
• Niveau 2 :
• Salle Blanche et
équipements de
productions
• Niveau 1 :
• Sous-équipements process (pompes, scrubbers, alim
électriques…)
• Distributions Gaz et Chimies au plus près des équipements
• Réseaux de distributions et drains
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16 /n
Qu’est-ce qu’une technologie ?
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17 /n
Qu’est-ce qu’une technologie ?
Technologie
=
Assemblage
chronologique
De Modules de Base
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18 /n
Exemple : Technologie MOS
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19 /n
Quels sont les objectifs de la technologie ?
Disposer, dans un même circuit intégré des
TRANSISTORS
OBJECTIFS D’UN CIRCUIT INTEGRE
• Utilisation maximale de la surface de silicium
• Réalisation de circuits de plus en plus complexes
(Microprocesseurs, ASIC, logique+mémoire,…)
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20 /n
Les opérations élémentaires
Dopage
Dépôt
Traitements
thermiques
Gravure
Lithographie
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21 /n
La lithographie
But : La photolithographie est le processus de transfert de formes géométrique d’un
masque sur une fine couche de matériaux photosensibles (résines photorésistantes) qui
recouvrent un wafer de semi-conducteur.
Ces formes définissent les différentes régions d’un circuit intégré tels que :
• Les zones de dopage
• les connections métalliques
• les points de contacts.
Les paramètres influents :
• La résine photosensible
• La technique d’insolation
Les paramètres critiques :
• La résolution
• L’alignement
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22 /n
La lithographie : Principes
Résine positive vs négative
La problématique
de l’alignement
Résine positive
vs négative
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23 /n
La lithographie : Aligneurs vs Photorépétition
Machine ‘alignement
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24 /n
Lithographie : insolation par eBeam
Technique d’écriture directe sur tranche
Avantages :
• Résolution ultime (4-6nm)
• Pas de masque
• Spécialisation des dessins pour chaque puce
Inconvénients :
• Durée du processus
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25 /n
La gravure
But : Retirer de la matière en surface de plaquette
• Gravure de motifs
–Par chimie humide
–Par chimie gazeuse
–Par action mécanique
• Nettoyage
• Polissage mécanochimique
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26 /n
La gravure de motifs
• But : Transférer un motif de résine dans une couche
en surface de la plaquette
Paramètres critiques :
•
La sélectivité – au masque; à la couche inférieure
•
L’anisotropie – la capacité à respecter les dimensions du
motif à transférer
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27 /n
La gravure par plasma
Principe : Former un composé volatil entre un réactif et la couche à graver
Exemple : Si + 4F
SiF4
Réaction spontanée à la surface de la plaquette
L’anisotropie est obtenue par passivation des parois
Exemple : SiO2 + CFx
SiF4 + CO2
Réaction assistée à la surface de la plaquette
La sélectivité est obtenue par passivation du fond de gravure
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28 /n
Opération élémentaire : Le dépôt
But : Créer une couche mince* à la surface du substrat par apport de
matière.
Surface d’origine conservée
Si
Si
* Couche mince : épaisseur de 0,2nm à quelques µm
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29 /n
Les techniques de dépôt
CVD
LPCVD
Phase gazeuse
PECVD
ALCVD
Processus
chimiques
MBE (Molecular Beam
Epitaxy)
Phase humide
Électrolyse
Méthodes
génériques
pour déposer
une couche
mince
Faisceau d’électrons
Processus thermiques
Évaporation laser
Processus
physiques
Évaporation thermique
Processus mécaniques
Pulvérisation cathodique
DC
RF
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30 /n
Les traitements thermiques
• Dopage par diffusion
• Activation des dopants
• Transformation des couches
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31 /n
Traitement thermique : Oxydation
But : Transformer la surface de silicium en oxyde de silicium (SiO2)
Paramètres influents :
• L’orientation cristalline <100>, <111>
• La température (900-1200°C)
• La composition de l’atmosphère oxydante
Surface d’origine
Si
Si
ATTENTION !! : mécanisme NON ADDITIF
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32 /n
Dopage
But : Introduire des atomes « dopants » dans le substrats de silicium
• Par diffusion (traitement thermique)
• Par implantation ionique
Source illustration : http://fr.wikipedia.org/wiki/Dopage_(semi-conducteur)
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33 /n
Dopage : Implantation ionique
But : Introduire des atomes « dopants » dans le substrats de silicium
Paramètres influant :
• L’atome dopant – type N (As,P) – type P (B, BF2)
• L’énergie d’accélération (eV)
• La dose (flux) – at/cm²
Simulateur : http://www.srim.org/
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34 /n
Les contraintes de fabrication d’un circuit intégré
• Réaliser les transistors
sur un même substrat
•Limiter les interactions entre les transistors
•Connecter les transistors entre eux.
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35 /n
Les trois grandes étapes de fabrication d’un transistor
L’ISOLATION
Permet d’isoler électriquement le transistor
des autres éléments électrique du circuit
intégré
Le TRANSISTOR
Constitue l’élément « actif » électriquement
Les INTERCONNEXIONS
Relient les transistors entre-eux selon le
schéma défini par le concepteur pour réaliser
une fonction donnée
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36 /n
L’ISOLATION
Il faut limiter les risques d’interactions parasites
2 solutions
• Eloigner les transistors les uns des autres
• Intercaler une zone isolante entre transistors : LOCOS (LOCal Oxidation of Silicon)
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37 /n
Le TRANSISTOR
GRILLE
N
SOURCE
N+
- - - - - - - -
-
DRAIN
N+
- - - - - - - -
-
Si P
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38 /n
µélectronique & plomberie
Grille de commande
Source
Source
Drain
Drain
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Quelles sont les caractéristiques importantes
pour le fonctionnement d’un transistor ?
Ids
Régime de saturation
Régime ohmique
ou résistif
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Vds
40 /n
Les INTERCONNEXIONS
REALISER LA CONNEXION DES TRANSISTORS ENTE EUX
ET AVEC LES AUTRES ELEMENTS
Dépôt d’une couche d’isolant sur le transistor
(verre = isolation + protection)
Réalisation d’une couche conductrice
(interconnexion)
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41 /n
Les cellules photovoltaïques : principe
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42 /n
Photovoltaïque : Classification des principales technologies de
cellules solaires PV (source : Hespul)
SILICIUM
CRISTALLIN
COUCHES
MINCES
ORGANIQUE
(OPV)
ORGANIQUE
(OPV)
Silicium
monocristallin
(sc-Si / mono Si)
Tellure de Cadmium
(CdTe)
Cellules à
colorant (DSC)
Multi-jonctions
Silicium
multicristallin
(mc-Si / poly-Si)
Cuivre Indium
(Gallium) Sélénium
(CIS & CIGS)
Cellules à
polymères
Cellules à
concentration
Silicium amorphe
hydrogéné (a-Si:H) et
microcristallin (µc-Si)
Cellules à
pérovskites
Arséniure de
Gallium (GaAs) et
matériaux III-V
Source : http://www.photovoltaique.info/Les-technologies-de-cellules.html
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43 /n
Photovoltaïque: module au silicium cristallin
Source: HESPUL
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44 /n
Assemblage module photovoltaïque
Vue d’ensemble de la ligne
Laminateur
Station de
soudure
Raidisseur:
Mise en série
des cellules
Lancer la vidéo
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Station de
Lay-up
45 /n
Principe des cellules multi-jonction
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52 /n
Les diodes électroluminescentes
Pour l’éclairage
Pour la visualisation
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53 /n
LEDs à base de GaN
Masque pour croissance sélective
Substrat
Epitaxie
Substrat
Couche
active
Metal-Organic Vapor
Deposition
(MOCVD)
P-GaN
n-GaN
Packaging &
test &
prototypes
Si (111) 200mm
Saphire (2’’ à 6’’)
Coirssance des
structures LED
Sur plaquette Si de
200mm
Matrice ordonnée de naofils
pour le coeur desl LEDs
(w/ ALEDIA)
III-N buffer layer
Substrat
P-GaN
LED process
Dépôt Métal & Diél.
Lithographie / Gravure
CMP / Bonding
•
•
n-GaN
III-N buffer layer
Substrat
Emission
dans le
bleu
Nano motifs pour
extraction de limière
Matrice à pas fin
pour afficheurs
Phosphore Emission vlanche
& encaps.
Wire
bonding
Nom événement | Nom Prénom | Date
Phosphore + dôme.
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Les LEDs GaN et les gaz
MOCVD (III-Nitrures)
Gaz de haute pureté
- Gaz porteur (H2, N2 jusqu’à 100 l/mn *)
- Haz réactif (NH3 jusqu’à 50 l/mn *)
* Pour réacteurs 200mm
Gravure sèche des III-Nitrures
Chimies du chlore
- Cl2
- SiCl4
- BCl3
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Expertise OLED
Dépôts
•
Substrats:
•
Technologies de dépôt:
Ingénierie et modélisation des
empilements:
•
Utilisation de couche de transport dopées:


•

Grand choix d’électrodes, performances, intégration avec
CI
Faible chute de tension, et de tension d’alimentation,
compatible CI et meilleur durée de vie.
Configuration « Top »
Empilement à fond transparent. Petites
molécules
top
Evaporation thermique
Solutions pour OLEDs hybrides
bottom


Puces Si (CMOS)  applications microdisplay
Substrats verre et flexible  pour l’éclairage
~100-200nm


Encapsulation et mise sous boîtier
 Packaging
 Encapsulation couche mince: faible
densité de défauts, ALD
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56 /n